基于层状氢氧化物的光催化和环境电分析与修复应用研究

发布时间：2020-06-27 04:02

【摘要】：能源危机和环境污染是当今人类面临的两大难题。如何解决以上两个问题对科研工作者提出了挑战。层状材料代表一类结构性能多样性和具有很大开发空间的二维体系,因其具有独特的电学性能和大的比表面积而对传感、催化和能源存储应用具有重要意义。层状材料的剥离以及以剥离的纳米片为基本单元来构筑二维复合材料近年来受到了极其热烈的关注。而作为层状材料中重要的一类,层状氢氧化物(特别是层状双金属氢氧化物)因其组成和性能的多样性,近年来是层状材料中受关注也是研究火热的一类材料。以剥离的层状氢氧化物纳米片为基本单元来构筑二维复合材料受到了热烈的关注,此外,可以通过不同途径合成基于层状氢氧化物的各种材料,如煅烧成对应的金属氧化物,与石墨烯形成层状复合物等,这些材料具有丰富的性能,在环境和能源领域具有重要研究和应用价值。本文围绕层状氢氧化物分别在光催化能源转化、环境电分析和环境水处理三个方面的应用进行研究： 1.Co的一些配合物已被证实可以作为均相催化剂进行光催化CO2还原。尽管这些均相催化体系具有很大的前景,但是它们仍然面临难以提取回收再循环使用的难题。我们试图选择Co(OH)2口Co3O4作为异相催化剂来替代Co的分子配合物来研究CO2的光催化还原。以层状Co(OH)2为前驱体,我们合成了暴露(112)晶面的Co3O4六角片,并且用其实现了有效地可见光催化CO2转化。我们同时可控合成了暴露(111)晶面的Co3O4六角片。我们发现Co3O4六角片的晶面结构对光催化CO2还原的性质具有显著地影响。密度泛函理论(DFT)计算和实验结果同时证明Co3O4六角片的(112)晶面较(111)晶面对CO2还原更优越。通过实验和理论计算的结合,对我们进一步理解晶面效应和光催化CO2还原之间的关联提供了重要指导。另一方面,Co(OH)2被研究认为是一种有效的水氧化催化剂。我们拟从层状Co(OH)2出发,试图沿层状Co(OH)2的剥离和金属替代形成Co基LDH两条线路来进一步提高Co(OH)2作为水氧化催化剂的性能,期望能开发出一种高效的Co基层状氢氧化物水氧化催化剂。此外,我们发现对于α-Co(OH)2和β-Co(OH)2,它们对水氧化的催化性能不同。 2.我们首次成功合成了一种具有优异电化学性能的层状AlOOH-RGO复合物新型结构。该复合物通过绿色、简便、高效和可大规模化的水热方法由氧化石墨直接一步法合成。AlOOH纳米片均匀分散在RGO的表面,有效地抑制了RGO的聚集。通过AlOOH和RGO的协同作用,AlOOH-RGO纳米复合物在电化学检测重金属离子的应用中显示出优异的灵敏度、稳定性和实际应用潜能。基于这一工作,我们进一步证明了吸附和电化学行为之间的关联。更重要的是,作为一种新型的层状复合物,AlOOH-RGO复合物可能具有其它一些潜在的性能等待探究。在AlOOH-RGO复合物的基础上,通过煅烧,得到了一种新的Al2O3纳米片-RGO复合物结构。通过进一步的优化,Al2O3-RGO复合物有望应用于饮用水中有机磷农药的检测。 3.我们制备了浸渍Mg-Al-LDHs的海藻酸钙小球(LDHs-n-MABs)用于水中氟离子的去除。我们试图验证海藻酸钙是一种有效固定LDHs的材料。由于制备的Mg-Al-LDHs层间插入的是NO3-阴离子,且LDHs对于F-阴离子的吸附能力要强于NO3-阴离子,因此LDHs-n-MABs有望在水中通过离子交换吸附F-阴离子。通过将磁性Fe3O4纳米颗粒包覆在海藻酸钙小球中可以轻松实验吸附剂的磁性分离。我们在不同实验条件下(pH值,吸附时间,吸附温度,氟离子初始浓度和共存干扰物质)系统考察了LDHs-n-MABs作为吸附剂去除氟的可行性。最后,我们研究了LDHs-n-MABs这一生物吸附剂应用于受污染实际水样中氟去除的可行性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O611.3;X830;X52

【参考文献】